Molten salt SMR for hydrogen production

New technological challenges await the scientific community, challenges that arise along with the population growth, with the necessity to lessen dependence on foreign energy supplies, and with the need to replace chemical processes currently based on fossil fuels with environmentally friendly processes. A central role in this scenario will be played by hydrogen, a molecule that finds application in many industrial sectors and that constitutes an important energy vector. However, in order to have a large-scale production of hydrogen with a low carbon footprint, it is necessary to develop new technologies. The main subject treated in this dissertation is the role of nuclear energy in the production chain of hydrogen, for the so called extit{purple hydrogen}. In particular, two of the most promising thermochemical cycles will be investigated, i.e. the Sulfur Iodine (SI) cycle and the Hybrid Sulfur (HyS) cycle. Compared to other technologies envisaged for extit{purple hydrogen}, thermochemical cycles would in fact show greater efficiency at probably a competitive cost. These cycles need however a very high heat source with catalyst function, which is why they are designed to be coupled with a power plant. In this academic project, a small modular extit{IV}-generation reactor based on molten salts is considered as primary heat source for the chemical plant. Coupling these two plants is actually not possible at the current state of art because there are no materials able to withstand the critical operating condition. This dissertation must therefore be read assuming the existence of such an advanced technology. The physics and the mathematical models used for the realization of this hybrid plant will be presented, models which have been designed in the Modelica environment using Dymola as interpreter. A brief description of the economics is devoted to the two mentioned chemical cycles. The model on Dymola has been then used to study the plant in nominal conditions and to simulate its response to some transients. The last part of the dissertation is dedicated to the analysis of the reactor load-following capability: this is an important and fundamental requirement for an energy production system because one of the main advantage behind new generation reactor is to wisely manage the power of the reactor to produce more electricity or more hydrogen following the grid load demand. This would allow the reactor to operate at nearly constant power and to simply diverge thermal power to the grid or adjacent chemical plants according to the needs.

Nuove sfide tecnologiche attendono la comunità scientifica, sfide dovute al previsto incremento demografico, a un desiderato ottenimento di una maggiore indipendenza energetica e alla necessità di sostituire i vecchi impianti basati sull'uso di combustibili fossili con processi a minor impatto ambientale. Un ruolo centrale in questo scenario sarà ricoperto dall'idrogeno, molecola che trova applicazione in svariati settori industriali e importante vettore energetico. Per avere però una produzione di idrogeno su larga scala a bassa impronta carbonica è necessario lo sviluppo di tecnologie all'avanguardia. In questa tesi viene approfondito il ruolo dell'energia nucleare per la produzione di idrogeno, il cosiddetto extit{idrogeno viola}. In particolare, due tra i cicli termochimici più promettenti sono stati considerati, il ciclo a ioduro di zolfo e il ciclo a zolfo ibrido. Rispetto ad altre tecnologie previste per la produzione di idrogeno da fonte nucleare, i cicli termochimici mostrerebbero infatti una maggior efficienza probabilmente con costi competitivi. Tali cicli necessitano però di una fonte di calore molto alta, motivo per cui sono pensati per essere accoppiati con un impianto di potenza. In questo progetto è stato utilizzato un reattore modulare di extit{IV}-generazione a sali fusi come principale sorgente di calore per la produzione di idrogeno. Accoppiare questi due impianti non è tuttavia ancora possibile poiché non esistono materiali adatti a sopportare le forti condizioni critiche a cui sarebbe soggetto il sistema. L'intera tesi deve dunque essere letta assumendo l'esistenza di una così avanzata tecnologia. Nel corso dei seguenti capitoli verrà presentata la fisica e il modello matematico usato per la realizzazione di questo impianto ibrido, modelli che sono stati sviluppati con nell'ambiante Modelica usando Dymola come interprete. Una breve descrizione dell'economicità è dedicata ai due cicli chimici menzionati. Il modello su Dymola è stato poi utilizzato per studiare le condizioni nominali dell'impianto così come la sua risposta a diversi transitori. L'ultima parte della tesi è dedicata allo studio del extit{load-following} dell'impianto: questo è un importante requisito per un sistema di produzione energetica, fondamentale per i reattori di nuova generazione . L'idea alla base degli HES è appunto quella di sfruttare la potenza del reattore per produrre più elettricità o più idrogeno inseguendo la domanda della rete. In questo modo si riuscirebbe a far lavorare il reattore quasi sempre a potenza costante divergendo semplicemente la potenza termica verso la rete elettrica o l'impianto chimico adiacente.